PAMIĘCI

PAMIĘCI



Podstawowe definicje i klasyfikacja

Podstawowe definicje i klasyfikacja



Hierarchia pamięci

Hierarchia pamięci



Pamięci dynamiczne i statyczne RAM

Pamięci dynamiczne i statyczne RAM

PAMIĘCI

PAMIĘCI



Na magistrali adresowej A komputer umieszcza
adres komórki pamięci, z której chce odczytać dane.



Magistralą sterującą S przesłane zostaje do pamięci
żądanie odczytu danych.



W odpowiedzi pamięć wyszukuje pożądaną komórkę
i umieszcza na magistrali danych D jej zawartość.



Komputer odczytuje z magistrali danych zawartość
zaadresowanej komórki.



Cykl zostaje zakończony, sygnały wracają do stanu
neutralnego.



Na magistrali adresowej A komputer umieszcza
adres komórki, do której mają trafić dane.



Na magistrali danych D komputer umieszcza bity
danych,

które

należy

zapamiętać

w

zaadresowanej komórce.



Magistralą sterującą S zostaje przesłane żądanie
zapisu danych.



W odpowiedzi pamięć pobiera dane z magistrali
danych D, wyszukuje komórkę o adresie obecnym
na magistrali adresowej A i zapisuje w niej dane.



Cykl zostaje zakończony, sygnały wracają do
stanu neutralnego.

PRZYPOMNIJMY!!!

PARAMETRY PAMIĘCI

PARAMETRY PAMIĘCI



Pamięć jako układ przeznaczony do

Pamięć jako układ przeznaczony do

przechowywania informacji binarnej można

przechowywania informacji binarnej można

scharakteryzować następującymi parametrami:

scharakteryzować następującymi parametrami:



pojemność

pojemność



szybkość

szybkość



koszt

koszt



pobór mocy

pobór mocy



Pojemność pamięci

Pojemność pamięci

określa ilość informacji jaką

określa ilość informacji jaką

można w niej przechować wyrażoną w bitach,

można w niej przechować wyrażoną w bitach,

bajtach lub słowach.

bajtach lub słowach.

Pamięć dzielona jest na fragmenty (w zależności od

Pamięć dzielona jest na fragmenty (w zależności od

typu pamięci) umożliwiające adresowanie. W

typu pamięci) umożliwiające adresowanie. W

pamięci operacyjnej są to fragmenty określane

pamięci operacyjnej są to fragmenty określane

długością słowa (8, 16, 32, 64 bity). Pojemność

długością słowa (8, 16, 32, 64 bity). Pojemność

określa się podając liczbę słów i długość słowa, np.

określa się podając liczbę słów i długość słowa, np.

512Kx64 - 219 słów 64-bitowych

512Kx64 - 219 słów 64-bitowych

W pamięciach masowych fragmentami są sektory

W pamięciach masowych fragmentami są sektory

(setki lub tysiące słów).

(setki lub tysiące słów).

!

PARAMETRY PAMIĘCI

PARAMETRY PAMIĘCI



Szybkość pamięci

Szybkość pamięci

określa jak często procesor (lub inne

określa jak często procesor (lub inne

urządzenie) może z niej korzystać.

urządzenie) może z niej korzystać.



czas dostępu - czas od momentu żądania informacji z pamięci

czas dostępu - czas od momentu żądania informacji z pamięci

do momentu, w którym ta informacja ukaże się na wyjściu

do momentu, w którym ta informacja ukaże się na wyjściu

pamięci

pamięci



czas cyklu - najkrótszy czas jaki musi upłynąć pomiędzy dwoma

czas cyklu - najkrótszy czas jaki musi upłynąć pomiędzy dwoma

żądaniami dostępu do pamięci

żądaniami dostępu do pamięci



szybkość transmisji - określa ile bajtów (bitów) można przesłać

szybkość transmisji - określa ile bajtów (bitów) można przesłać

pomiędzy pamięcią a innym urządzeniem w jednostce czasu.

pomiędzy pamięcią a innym urządzeniem w jednostce czasu.



Koszt pamięci

Koszt pamięci

określa cenę jaką należy ponieść za

określa cenę jaką należy ponieść za

uzyskanie wysokich parametrów pamięci

uzyskanie wysokich parametrów pamięci

szybciej - drożej !!!

szybciej - drożej !!!

wolniej - taniej !!!

wolniej - taniej !!!



Pobór

mocy

Pobór

mocy

określa

jakie

jest

zapotrzebowanie

określa

jakie

jest

zapotrzebowanie

energetyczne na realizację funkcji pamięci zwłaszcza przy

energetyczne na realizację funkcji pamięci zwłaszcza przy

dążeniu do wzrostu jej pojemności

dążeniu do wzrostu jej pojemności

PAMIĘCI

PAMIĘCI

Rejestrowa

Rejestrowa

Kieszeniowa

Kieszeniowa

Operacyjna

Operacyjna

Masowa

Masowa

Zewnętrzna

Zewnętrzna

Z dostępem swobodnym

Z dostępem swobodnym

(bezpośrednim)

(bezpośrednim)

Z dostępem cyklicznym

Z dostępem cyklicznym

Z dostępem

Z dostępem

sekwencyjnym

sekwencyjnym

Z dostępem

Z dostępem

asocjacyjnym

asocjacyjnym

ROM

ROM

RAM

RAM

DRAM

DRAM

(dynamiczne)

(dynamiczne)

SRAM

SRAM

(statyczne)

(statyczne)

H

ie

ra

rc

h

ia

p

a

m

ię

c

i

H

ie

ra

rc

h

ia

p

a

m

ię

c

i

D

o

s

tę

p

d

o

i

n

fo

rm

a

c

ji

D

o

s

tę

p

d

o

i

n

fo

rm

a

c

ji

HIERARCHIA PAMIĘCI

HIERARCHIA PAMIĘCI

Pamięcią RAM (Random Access Memory) nazywamy pamięć
półprzewodnikową o dostępie swobodnym przeznaczoną do zapisu
i odczytu. RAM jest pamięcią ulotną, co oznacza, że po wyłączeniu
zasilania dane są tracone.

Pamięcią RAM (Random Access Memory) nazywamy pamięć
półprzewodnikową o dostępie swobodnym przeznaczoną do zapisu
i odczytu. RAM jest pamięcią ulotną, co oznacza, że po wyłączeniu
zasilania dane są tracone.

Pamięć

Pamięć

2

2

n

n

x m

x m

adres

adres

E

E

zapis/odcz

zapis/odcz

yt

yt

n

n

m

m

PAMIĘCI RAM

PAMIĘCI RAM

Pamięć może posiadać organizację bitową (a) lub bajtową (b).

Pamięć może posiadać organizację bitową (a) lub bajtową (b).

Obie pamięci mają tą samą pojemność wynoszącą 32b. Różnią

Obie pamięci mają tą samą pojemność wynoszącą 32b. Różnią

się natomiast organizacją.

się natomiast organizacją.

jest to pamięć przeznaczona do

jest to pamięć przeznaczona do

pamiętania 32 słów 1 bitowych

pamiętania 32 słów 1 bitowych

(32x1b)

(32x1b)

jest to pamięć przeznaczona do

jest to pamięć przeznaczona do

pamiętania 4 słów 8 bitowych

pamiętania 4 słów 8 bitowych

(4x1B).

(4x1B).

PAMIĘCI RAM

PAMIĘCI RAM

Łączenie układów pamięci dla zwiększenia

Łączenie układów pamięci dla zwiększenia

pojemności:

pojemności:

•

zwiększanie długości słowa

zwiększanie długości słowa

•

zwiększanie ilości słów

zwiększanie ilości słów

PAMIĘCI RAM

PAMIĘCI RAM

Pamięć 64b (16 x 4b)

Pamięć 64b (16 x 4b)

Pamięć zwiększona = 4*64b= 256b

Pamięć zwiększona = 4*64b= 256b

(16 x 16b)

(16 x 16b)

PAMIĘCI RAM

PAMIĘCI RAM

zwiększanie długości słowa (rozbudowa szyny

zwiększanie długości słowa (rozbudowa szyny

danych)

danych)

czterokrotne zwiększenie pamięci

czterokrotne zwiększenie pamięci

Pamięć 64b (16 x 4b)

Pamięć 64b (16 x 4b)

Pamięć zwiększona = 4*64b= 256b

Pamięć zwiększona = 4*64b= 256b

(64 x 4b)

(64 x 4b)

PAMIĘCI RAM

PAMIĘCI RAM

zwiększanie liczby słów (rozbudowa szyny

zwiększanie liczby słów (rozbudowa szyny

adresowej)

adresowej)

czterokrotne zwiększenie pamięci

czterokrotne zwiększenie pamięci

SRAM

SRAM

Układ bitu informacji w komórce pamięci
statycznej

PAMIĘCI RAM

PAMIĘCI RAM

DRAM

DRAM

Układ bitu informacji w komórce pamięci
dynamicznej

CECHY PAMIĘCI

CECHY PAMIĘCI

DRAM

DRAM

SRAM

SRAM

szybkość

szybkość

mała

mała

duża

duża

koszt

koszt

niski

niski

wysoki

wysoki

pojemność

pojemność

duża

duża

mała

mała

pobór mocy

pobór mocy

mały

mały

duży

duży

łatwość scalania

łatwość scalania

duża

duża

mała

mała

konieczność odświeżania

konieczność odświeżania

tak

tak

nie

nie

główne zastosowanie

główne zastosowanie

główna pamięć

główna pamięć

pamięć

pamięć

operacyjna

operacyjna

kieszeniowa

kieszeniowa

(

(

cache

cache

)

)

PAMIĘCI RAM

PAMIĘCI RAM

2

n/2

kolumn

PAMIĘĆ STATYCZNA RAM (SRAM)

PAMIĘĆ STATYCZNA RAM (SRAM)

n bitów adresowych

n bitów adresowych

jest dzielonych na bity

jest dzielonych na bity

górne i dolne

górne i dolne

2

n/2

wierszy

PAMIĘĆ STATYCZNA RAM (SRAM)

PAMIĘĆ STATYCZNA RAM (SRAM)



A

n-1

... A

0

- n linii magistrali adresowej. Przy ich pomocy

komputer przekazuje pamięci w postaci binarnej
adres pożądanej komórki. Dla n linii pamięć ma
pojemność 2

n

komórek.



D

m-1

... D

0

- m linii dwukierunkowej magistrali danych.

Liczba linii danych odpowiada rozmiarowi pojedynczej
komórki pamięci



CE (ang. Chip Enable) - linia uaktywnia układ pamięci.



OE (ang. Output Enable) - podłącza w stanie niskim
wewnętrzną magistralę danych do linii D

m

... D

0

.

Sygnał OE wykorzystuje się przy odczycie zawartości
pamięci (odczyt).



WE (ang. Write Enable) - powoduje, iż informacja z
magistrali danych zostanie umieszczona w
zaadresowanej komórce pamięci (zapis).

PAMIĘĆ DYNAMICZNA RAM

PAMIĘĆ DYNAMICZNA RAM

(DRAM)

(DRAM)

Adres komórki pamięci
dynamicznej dostarczany
jest w dwóch etapach po
tych samych liniach
magistrali adresowej -
najpierw numer wiersza, a
następnie numer kolumny.

PAMIĘĆ DYNAMICZNA RAM

PAMIĘĆ DYNAMICZNA RAM

(DRAM)

(DRAM)



A

n-1

... A

0

- n linii magistrali adresowej. Przy ich pomocy

komputer przekazuje pamięci w postaci binarnej
numer wiersza lub numer kolumny, w których znajduje
się komórka do odczytu lub do zapisu.



D

m-1

... D

0

- m linii dwukierunkowej magistrali danych.



CS (ang. Chip Select) - linia uaktywnia układ pamięci -
odblokowuje pozostałe wejścia sterujące.



WE (ang. Write Enable) - jeśli WE jest w stanie niskim,
dane są przepisywane do wybranej komórki pamięci
(zapis). W stanie wysokim WE pamięć realizuje odczyt
lub odświeżanie.



RAS (ang. Row Address Strobe) - opadające zbocze
tego sygnału informuje pamięć, iż na magistrali
adresowej znajduje się numer wiersza. Numer ten
zostaje zapamiętany w buforze połączonym z
dekoderem wierszy. Pamięć odczytuje dany wiersz i
odświeża go,



CAS (ang. Column Address Strobe) - opadające zbocze
informuje pamięć, iż na magistrali adresowej znajduje
się numer kolumny. Numer jest zapamiętywany w
buforze połączonym z dekoderem kolumn. Komórka
znajdująca się w odczytanym wierszu i kolumnie
zostaje zapisana nową zawartością przy WE = 0 lub jej
zawartość trafia na magistralę danych WE = 1.

PAMIĘĆ DYNAMICZNA RAM

PAMIĘĆ DYNAMICZNA RAM

(DRAM)

(DRAM)



Na magistrali adresowej zostaje umieszczony numer
wiersza zawierającego komórkę pamięci.



Następnie sygnał RAS powoduje zapis numeru wiersza z
magistrali adresowej w zatrzaskach połączonych z
dekoderem wierszy. Dekoder adresuje odpowiedni wiersz
komórek, których zawartość zostaje przesłana do
wzmacniaczy odświeżających. Komórki zostają
odświeżone - jeśli operacja dotyczyła tylko odświeżania,
to w tym momencie może się zakończyć.



Na magistralę adresową trafia numer kolumny
zawierającej komórkę. Sygnał CAS powoduje
zatrzaśnięcie numeru kolumny i przekazanie go do
dekodera kolumn. Dekoder adresuje odpowiednią
kolumnę wzmacniaczy odświeżających, które przekazują
zawartość odczytanej komórki na magistralę danych.



Sygnały sterujące wracają do położenia neutralnego.



Na magistrali adresowej zostaje umieszczony numer
wiersza zawierającego komórkę pamięci.



Sygnał RAS powoduje odczytanie i odświeżenie wiersza
komórek.



Na magistrali danych pojawiają się dane do zapisu w
komórce.



Sygnał WE przyjmuje stan niski - jest to informacja dla
pamięci, iż po otrzymaniu reszty adresu - czyli numeru
kolumny, dane z magistrali danych należy zapisać w
wybranej komórce.



Na magistrali adresowej zostaje umieszczony numer
kolumny



Sygnał CAS powoduje odczytanie kolumny i do wybranej
komórki trafia informacja z magistrali danych.



Sygnały sterujące wracają do położenia neutralnego.

Odczyt

Odczyt

Zapis

Zapis

ODŚWIEŻANIE

ODŚWIEŻANIE

Odświeżanie komórek pamięci dynamicznych polega na cyklicznym

Odświeżanie komórek pamięci dynamicznych polega na cyklicznym

doładowaniu pojemności pamiętających przechowujących wartość

doładowaniu pojemności pamiętających przechowujących wartość

logiczną „1”.

logiczną „1”.

Operacja odświeżania realizowana jest przez specjalistyczne układy

Operacja odświeżania realizowana jest przez specjalistyczne układy

logiczne, będące elementem płyty głównej komputera.

logiczne, będące elementem płyty głównej komputera.

Istnieją cztery podstawowe sposoby odświeżania pamięci dynamicznych

Istnieją cztery podstawowe sposoby odświeżania pamięci dynamicznych

RAM:

RAM:

•

sygnałem RAS (tryb wierszowy)

sygnałem RAS (tryb wierszowy)

•

sygnałem CAS przed RAS (tryb statyczny)

sygnałem CAS przed RAS (tryb statyczny)

•

odświeżanie ukryte

odświeżanie ukryte

•

autoodświeżanie

autoodświeżanie

PAMIĘĆ DYNAMICZNA RAM

PAMIĘĆ DYNAMICZNA RAM

(DRAM)

(DRAM)

Zjawisko lokalności

Zjawisko lokalności

- procesor odwołuje się najczęściej do pamięci (

- procesor odwołuje się najczęściej do pamięci (

trafienie

trafienie

)

)

w pewnym niewielkim obszarze (w okolicach danego programu) - bardzo

w pewnym niewielkim obszarze (w okolicach danego programu) - bardzo

rzadko do obszarów odległych. Stąd stosowanie szybkich pamięci

rzadko do obszarów odległych. Stąd stosowanie szybkich pamięci

kieszeniowych (cache) zawierających właśnie taki lokalny obszar pamięci.

kieszeniowych (cache) zawierających właśnie taki lokalny obszar pamięci.

0

0

1

1

q-1

q-1

1 blok

1 blok

2 blok

2 blok

k-1 blok

k-1 blok

k-2 blok

k-2 blok

...

...

0

0

1

1

m-1

m-1

2

2

m-2

m-2

q słów

q słów

log

log

2

2

k

k

pamięć operacyjna

pamięć operacyjna

pamięć kieszeniowa

pamięć kieszeniowa

zawiera tylko

zawiera tylko

m

m

spośród

spośród

k

k

bloków

bloków

(k>>m)

(k>>m)

Gdy procesor zażąda dostępu do bloku, którego nie ma w pamięci cache

Gdy procesor zażąda dostępu do bloku, którego nie ma w pamięci cache

(

(

chybienie

chybienie

) to następuje wymiana zawartości jednej komórki pamięci

) to następuje wymiana zawartości jednej komórki pamięci

kieszeniowej.

kieszeniowej.

Nr

Nr

bloku

bloku

PAMIĘĆ KIESZENIOWA (STATYCZNA)

PAMIĘĆ KIESZENIOWA (STATYCZNA)

RAM

RAM

H - współczynnik

H - współczynnik

trafienia

trafienia

Jeżeli założymy pojemność pamięci operacyjnej: 8192 bloki (k) po 8 bajtów (q)

Jeżeli założymy pojemność pamięci operacyjnej: 8192 bloki (k) po 8 bajtów (q)

tj. 8192*8 = 65536B = 64KB

tj. 8192*8 = 65536B = 64KB

oraz pojemność pamięci kieszeniowej m=128 linii

oraz pojemność pamięci kieszeniowej m=128 linii

to długość linii pamięci kieszeniowej wyniesie

to długość linii pamięci kieszeniowej wyniesie

s=8*q + log

s=8*q + log

2

2

k = 8*8 + log

k = 8*8 + log

2

2

8193 = 64+13=77bitów

8193 = 64+13=77bitów

q = 8

q = 8

q =

q =

64

64

q =

q =

16

16

0,3

0,3

0,6

0,6

0,9

0,9

5 kB

5 kB

10 kB

10 kB

15 kB

15 kB

20 kB

20 kB

pojemność pamięci

pojemność pamięci

kieszeniowej

kieszeniowej

PAMIĘĆ KIESZENIOWA (STATYCZNA)

PAMIĘĆ KIESZENIOWA (STATYCZNA)

RAM

RAM

Pamięcią ROM (Read Only Memory) nazywamy pamięć
półprzewodnikową o dostępie swobodnym przeznaczoną tylko do
odczytu uprzednio zapisanych danych. Oznacza to, że nie można
do niej zapisywać danych w trakcie normalnej pracy w systemie.
ROM jest pamięcią nieulotną, co oznacza, że po wyłączeniu
zasilania dane nie są tracone.

Pamięcią ROM (Read Only Memory) nazywamy pamięć
półprzewodnikową o dostępie swobodnym przeznaczoną tylko do
odczytu uprzednio zapisanych danych. Oznacza to, że nie można
do niej zapisywać danych w trakcie normalnej pracy w systemie.
ROM jest pamięcią nieulotną, co oznacza, że po wyłączeniu
zasilania dane nie są tracone.

•

MROM (

MROM (

mascable ROM

mascable ROM

) zawartość pamięci ustalana jest w

) zawartość pamięci ustalana jest w

procesie produkcji (za pomocą odpowiednich masek) - BIOS do

procesie produkcji (za pomocą odpowiednich masek) - BIOS do

obsługi klawiatury

obsługi klawiatury

•

PROM (

PROM (

programmable ROM

programmable ROM

) pamięć jednokrotnie programowalna

) pamięć jednokrotnie programowalna

przez użytkownika - obecnie nieużywana

przez użytkownika - obecnie nieużywana

•

EPROM pamięć wielokrotnie programowalna w ultrafioletowych

EPROM pamięć wielokrotnie programowalna w ultrafioletowych

programatorach - obecnie wychodzi z użycia

programatorach - obecnie wychodzi z użycia

•

EEPROM

pamięć

kasowana

i

programowana

na

drodze

EEPROM

pamięć

kasowana

i

programowana

na

drodze

elektrycznej

(podobnie

jak

RAM

ale

czas

zapisu

jest

elektrycznej

(podobnie

jak

RAM

ale

czas

zapisu

jest

nieporównywalnie długi) - flash-BIOS (uaktualniany BIOS)

nieporównywalnie długi) - flash-BIOS (uaktualniany BIOS)

PAMIĘCI ROM

PAMIĘCI ROM

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ !

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ !

PAMIĘCI RAM

PAMIĘCI RAM

Podstawową komórkę pamięci stanowi przerzutnik (RS)

Podstawową komórkę pamięci stanowi przerzutnik (RS)

sterowany:

sterowany:

•

linią słowa

linią słowa

•

liniami bitowymi (D i D)

liniami bitowymi (D i D)

linia słowa

linia słowa

linia bitu

linia bitu

linia bitu

linia bitu

+Ucc

+Ucc

D

D

D

D

T1

T1

T2

T2

wybór

wybór

Odczyt:

Odczyt:

•

na linię słowa podawany jest stan wysoki;

na linię słowa podawany jest stan wysoki;

•

do linii bitów dołączono wzmacniacz różnicowy, który odczytuje stan

do linii bitów dołączono wzmacniacz różnicowy, który odczytuje stan

przerzutnika („0” to potencjał na D wyższy niż D; „1” to potencjał na

przerzutnika („0” to potencjał na D wyższy niż D; „1” to potencjał na

D niższy).

D niższy).

Zapis:

Zapis:

•

na linię słowa podawany jest stan wysoki;

na linię słowa podawany jest stan wysoki;

•

jeśli zapisujemy „0” to obniżamy potencjał na D, jeśli zapisujemy

jeśli zapisujemy „0” to obniżamy potencjał na D, jeśli zapisujemy

„1”to obniżamy potencjał na linii D.

„1”to obniżamy potencjał na linii D.